综述MIMO天线技术.docx
《综述MIMO天线技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《综述MIMO天线技术.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
综述MIMO天线技术
摘要
虽然第三代移动通信技术还没有应用到实际生活之中，但是新一代无线通信技术已扑面而来，其无所不在、高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目一新。
然而，实现这一振奋人心的通信目标并非易事，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战，采用常规分集技术或智能天线技术己不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。
此时，多天线的无线通信技术为我们提供了解决该问题的新途径，它在无线链路两端均采用多天线，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。
本文首先介绍了MIMO通信技术的相关背景及其信道模型；然后引入了空时编码的介绍，同时对基于垂直分层编码的四种检测算法进行了性能比较，分析在不同天线配置下算法的可靠性。
关键词：
MIMO，信道容量，垂直分层编码，检测算法
Abstract
Thethirdgenerationmobilecommunication（3G）technologiesarcstillnotappliedintoourlife．However,thenewgenerationwirelesscommunicationtechnologiesareemergingandbooming,whosetargetofprovidingubiquitous，highquality,andhighdataratemobilemultimediatransmissionsoundsmuchattractive．Ofcourse,theimplementationofthisunprecedentedtargetisnotsoeasy,andthetraditionalcommunicationsystemsusingsingle-antennatransmittingandreceivingareconfrontedwithastiffchallengetoachievethistarget．Thedemandsofbothhighcapacityandhighreliabilityinthenewgenerationwirelesscommunicationsystemsarenotenoughtobemeteventhoughoneofthetraditionalimprovedmeasures，suchasthetraditionaltransmitdiversity,receivediversityandsmartantennatechnology,isused．Fortunately,thecreativetechnology,namelyMultiple-InputMultiple-Output（MIMO），hasprovidedanovelsolutiontothisproblem．MIMOmethodsmakeuseofmultiple—antennaatboththetransmitandthereceivesideoftheradiolinktomultiplythecapacityandreliabilityovermoletraditionalwirelesscommunicationsystemsbyfullyexploringthespaceresourcewithinthesamefrequencybandatnoadditionalpowerexpenditure．However,manymoreproblemsareemergingandurgentlywantedtobesolvedinMIMOcommunicationsystemsduetointroducingthemultiple—antennacomparingwiththetraditionalsingle-antennasystems.Inthispaper,theMIMOsystemmodelandknowledgerelatedwasintroduced.
firstly．WeanalyzedthecapacityofMIMOchannelindifferentcases．Thenthe
Space-TimeCodingwasintroduced，simultaneitywecomparedwiththeperformance
offourdetectingarithmeticandanalyzedthereliabilityofsystemindifferentantennastation．
Keyword：
MIMOCapacityV-BLASTDetectionAlgorithms
第一章绪论
无线MIMO技术被认为是实现未来高速宽带无线Internet接入网的关键技术之一，在第三代（3G）乃至三代以后（B3G）的移动通信系统中有着广阔的应用前景。
常规单天线收发通信系统面临严峻挑战，即使采用常规分集技术或智能天线技术己不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。
只有在透彻了解无线移动通信的背景后，才可能寻求到无线通信领域的革新性技术以从根本上解决无线通信系统的频谱利用效率和通信质量问题，而结合空时处理的多天线技术带来了解决这些问题的新思路。
它们包括天线分集技术与智能天线技术，以及最终演进到的多入多出（MIMO）通信技术，这些先进的技术都值得我们仔细研究。
1．1本文的研究背景和意义
任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端都采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。
无线MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理。
在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。
在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入和单输出（SISO-SingleInputSingleOutput）系统，对于这样的系统，C．E．Shannon提出了一个信道容量的计算公式：
C=Wlog2
（1+S/N）（1-1）
其中W代表信道带宽，S/N代表接收端的信噪比，用W归一化后，得到带宽利用率：
η=log2（1+S/N）（1—2）
它确定了在有噪声的信道中，进行可靠通信的上限速率。
以后的电信工作者无论使用怎样的调制方案和信道编码方法，只能一点一点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无线通信的发展的一大瓶颈。
随着目前移动通信的普及和广泛应用，加上未来Internet的要求无线接入，用户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破上述传统无线通信系统的容量界限。
一般来说，提高移动通信的信道容量有三种方法：
（1）设置更多的基站；
（2）拓宽己使用的频带；（3）提高频谱的使用效率。
设置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。
为了便于提高无线通信的传输速率，也有人建议把目前使用的频带拓展到毫米波段，因为在毫米波段有更宽的频带可供使用。
但是就目前的技术的水平来说，这样做的代价还相当昂贵，而且目前无线通信市场迫切需求的是介于UMTS和WLAN之间设备，它
们使用的是微波波段，对于UMTS和ISM（工业、科研和医疗）使用的频率在2GHz附近，而WLAN使用的频率在2到5GHz。
由此看来，合理的选择是设法提高频谱的使用效率。
在传统的无线系统中，根据Shannon给出的信道容量公式，增加信噪比可以提高频谱的使用效率，信噪比每增加3dB，信道容量每秒每赫兹增加1比特。
对于单用户方案，信噪比主要和系统热噪声有关，而系统热噪声在通信期间基本保持不变，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，然而，不仅是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个功率放大器能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作，是件很困难的事情，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。
在蜂窝（多用户）方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的热噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎对增加信道容量没有太大的帮助。
提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。
如果发射端使用单根天线,接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入多输出（SIMO—SingleInputMultipleOutput）系统，采用最佳合并的接收分集技术通常能改善接收端的SNR，从而提高信道的容量和频谱的使用效率。
如果发射端使用多根天线，接收端使用单根天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输入单输出（MISO—MultipleInputSingleOutput）系统，如果发射端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配发射功率，信道容量的提高不是很多。
SIMO和MISO技术的发展自然演变成MIMO技术，即在无线链路的两端都使用多根天线，E．Telatax和J．Foshini分别证明了MIMO系统与SIMO和MISO系统相比，可以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈，是Shannon信道容量的推广。
与目前已实现的信道容量相比，有望提高几个数量级。
因此无线MIMO技术在第三代（3G）乃至三代以后（B3G）的移动通信系统中有着广阔的应用前景。
目前，无线MIMO技术己成为了无线通信领域的一大研究热点。
粗略地说，使用MIMO技术的好处在于能创建多个并行的正交子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大地增加天线的增益等等。
1．2目前已取得进展和存在的问题
最近ITU和3GPP已着手制定在3G和B3G的移动通信中使用MIMO技术的有关标准。
对于3G，MIM0及其相关的技术可以看成是用于提高数据流量、系统性能和频谱效率方面的有力补充，目前具有很强的吸引力。
与此相关的技术包括自适应调制和编码、混合ARQ和快速蜂窝选择等。
1．2．1目前已取得进展
在蜂窝移动通信中，目前还没有商用化的MIMO产品，在3G中，除了使用纯发射分集的解决方案（MISO）外，也没有使用MIMO技术。
几年前，朗迅通信技术公司己做过了MIMO系统的早期实验，并成功地测试了两款BLAST芯片，芯片的最高速度达到了19．2Mbps，而且BLAST研究小组最近取得了以前难以想象的无线频谱效率：
20～40bps/Hz，比较而言，使用传统的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为：
l～5bps/Hz，对于点对点的微波通信系统取得的频谱效率为：
10～12bps/Hz，而且在30kHz的带宽内，Bell实验室在上述的频谱效率上实现了0．5Mbps～1Mbps的有效载荷数据速率，而使用传统的技术，在该带宽内取得的数据速率仅为50kbps。
对于3GPP，表1．1给出了在平衰落条件下,2～4GHz频段、5MHz载波间隔，在移动通信的下行链路中，使用MIMO技术所取得的峰值数据速率。
表1．1各种MIMO信道的数据传输速率
（M，N）
Tx技术
码速
调制方式
速率/子数据流量
子数据流数量
数据速率
（1,1）
传统
3/4
64QAM
540Kbps
20
10.8Mbps
（2,2）
MIMO
3/4
16QAM
360Kbps
40
14.4Mbps
（3,3）
MIMO
3/4
QPSK
180Kbps
80
14.4Mbps
（4,4）
MIMO
1/2
8PSK
540Kbps
80
21.6Mbps
1．2．2仍存在的问题
自从Telatar和Foschini在无线MIMO系统中做出了开创性的工作以来，目前在蜂窝无线系统、固定接入系统方面，己提出了各种实验性的MIMO系统，尽管在这方面已取得了较大的进展，但是距离MIMO技术大规模投入商用的时间,专家估计至少还要五年，因为还有许多实际问题需要解决，这些问题主要包括以下几个方面：
（1）信道状态信息（CSI）获取和利用
如何准确地获取信道的状态信息并及时地反馈给发射机是MIMO系统设计中一个值得深入研究的课题，信道容量实际上是信道特征模式的函数，MIMO信道容量的实现将得益于知道信道状态信息的发射机，因为发射端可以利用信道的状态信息或部分反馈信息依据注水原理而不是平均分配发射功率。
而且，如果已知信道的相关矩阵，还可以使信道编码、每一支流的比特分配和放大器的功率管理做到最佳。
（2）天线的数量和间距
天线的数量和各天线之间距离是MIMO系统设计的关键参数，如果要实现MIMO系统的高频谱效率，后者更为重要。
在基站安装大量的天线，对周围的环境会造成一定的损害，因此天线的数量宜限制在中等的水平，例如4根，它们之间的距离～般选择为10个波长，这个距离稍微偏大，之所以要这样选择是因为基站一般安装在较高的位置，不能保证总是存在能使衰落去相关的本地散射体。
如果使用双极化天线，在2GHz的频率上，10倍波长的间隔，4根天线占据的空间约为1．5米。
对于终端，选择半个波长的天线间距足以保证有相当数量的不相关衰落，因为终端一般处于本地散射物之间，而且不存在直接传播路径，终端天线的最大数量预计为4根，但是实际实现时，一般选择最小的数目为2根。
据计算4根双极化天线要占据7．5cm的空间，这4根天线可以非常容易地嵌入诸如笔记本电脑的外壳中，然而对于蜂窝手机，即使是安装2根天线也成问题。
因为手机目前的设计趋势是把天线嵌入到机壳中，目的是为了改进外观和增加产品的吸引力，这使得天线间距要求成为一个非常严重的问题。
（3）接收机的复杂性
MIMO接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体表现在：
（1）由于多用户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得异常复杂，例如（4,4）MIMO系统与单天线接收机相比，复杂性要增加约2倍。
（2）由于MIMO接收机受周围环境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡和干扰对消方面需要增加一些附加的处理。
（3）MIMO信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时（在OFDM中为每一个时隙），都需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数。
（4）额外的复杂性还来自增加的RF链（与Rx天线的数目相等）和相应的基带运算单元，还有接收机的隔离算法等。
对于蜂窝手机，电池的寿命长短也跟接收机的复杂性有关。
（4）MIMO信道模型
MIMO系统的性能，在很大的程度上跟所处环境的多径信号的性质有关，特别要受各条路径之间的相关度、时延扩展和角度扩展的影响，因此，了解和掌握户内和户外环境中，无线MIMO信道的特性，对实现潜在的巨大信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法至关重要。
为此除了一些必要的实际测量外，必须建立合适的信道模型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣。
为了适应无线信道的时变特性，不仅需要建立MIMO信道的静态模型，还要建立特定的动态模型，因为提出新的和更具体的信道模型，可用于分析现有的传输算法是如何影响系统的性能的，同时为适应这些更具体的模型要求，是否能提出一些新的算法。
传统的无线系统的传播模型己成为了标准，不过到目前为止，ITU还未制定相应的MIMO信道模型标准，3GPP己制定出了有关MIMO的信道模型标准。
（5）系统的集成和信号设计
MIMO系统需要与现有的非MIMO通信网络集成、向后兼容，即未来的MIMO接收机应该是双模式的。
为此，MIMO的信号设计可以从特殊的无线资源控制（RRC）消息中，获得支持和帮助。
例如，终端可以通过下行链路的广播信令来知道基站是否处在MIMO模式，同时，基站也需要知道终端是处在MIMO模式，还是非MIMO模式，MIMO通信链路可以在呼叫期间确立。
另外，在非MIMO模式通信中，终端也需要给基站提供反馈信息，随时报告信道的质量情况，如果信道条件许可，基站便可安排MIMO传输，这些下行和上行的RRC消息一般放在信令消息的第二层。
除上述因素外，还有其他一些因素也会使MIMO系统的性能退化，例如：
不正确的信道估计、天线单元之间存在相关、较高的多普勒频移等。
第二章无线MIMO通信技术概述
本章主要介绍一些MIMO多天线技术中用到的天线分集技术、复用技术，以及各种技术向多天线技术演化的过程，以此来说明MIMO多天线技术的优点。
2．1天线分集技术
移动通信系统中，移动台经常工作在各种复杂的地理环境中，发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等形成多径传播，使到达接收机输入端的信号是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加。
分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能一项重要技术，基本思路是：
将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，对数字系统而言，使接收端的误码率最小，对模拟系统而言，可以提高接收端的信噪比。
常用的分集技术：
（1）空间分集：
利用多副接收天线来实现的。
接收端天线之间的距离d≥λ/2（λ为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低了信道衰落的影响。
该技术在频分系统（FDMA）、时分系统（TDMA）以及码分系统（CDMA）中都有应用。
（2）时间分集：
将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去，要求重发信号的时隙间隔要大于信道相干时间，以保证重发信号在时域上的独立性，在接收端便可以得到衰落特性不相干的信号。
若将信号以大于相干时间的时间间隔重复传输M次，就可以得到M条独立的分集支路。
（3）极化分集：
在移动信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性。
利用这一特点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。
极化分集实际上是空间分集的特殊情况。
（4）频率分集：
将信息分别在不同的载频上发射出去，要求载频间的频率间隔要大于信道相关带宽，以保证各频率分集信号在频域上的独立性，在接收端可以得到衰落特性不相干的信号。
在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。
和空间分集相比，频率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。
（5）角度分集：
由于地形地貌及建筑物等通信环境的不同，到达接收端的信号来自不同的方向。
在接收端利用方向性天线，分别指向不同的方向，则每个方向性天线收到的信号是互不相关的。
采用这种方案，移动台比基站的电路更有效。
实际上，联合应用多维天线分集可以获得更好的分集效果。
将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。
通常，在基站端采用多副天线接收多径信号，通过合并处理而对抗无线信道衰落，这就是接收分集技术，它出现较早，研究较彻底。
常用的合并方式包括等增益合并、选择合并与最大比合并，等增益合并的工程实现简单但性能较差，最大比合并的性能最优但处理较繁，故应在性能优劣与实现繁简方面折衷考虑。
相对而言，在发射端采用多副天线的发射分集技术要晚得多，它由接收分集技术发展而来，其发射信号被设计成独立的信号，在接收端对多径信号进行合并，以减弱信号的衰落效应。
发射分集技术的研究主要集中在三个方面：
反馈方案：
即接收端显式或隐式地反馈信息给发送端的方案；前馈方案：
即发送端采用线性处理、接收端利用最优合并并且只训练不反馈的方案；盲方案：
即无需前馈或反馈的方案。
2．2MIMO无线通信技术
MIMO无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出（MISO）与单入多出（SIMO）的结合，具有两者的特征。
结合天线发射分集、接收分集与信道编码技术是无线通信发展的趋势，在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径。
因此，天线分集技术与空时处理技术的结合结果产生了极具潜力的MIIVlO无线通信技术。
2．2．1传统天线向多天线技术的发展
传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作单入单出（SISO）系统。
SISO系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈，即Shannon容量限制：
C=Wlog2（1+ρ*|h|*|h|）Bit/s/（2-1）
式中，C是香农容量，ρ是接收天线的信噪比，h是归一化信道复增益，可见其信道容量没有利用空间维度。
不管采用何种调制技术、编码策略或其他方法，无线信道总是给无线通信工程作了这个实际的物理限制。
传统的无线通信理论一直将多径传播视为～种不利于信号传输的因素，因为具有不同延时的多径信号副本相叠加会产生破坏性干扰，使信号相互抵消，起伏衰落，链路性能不稳定，通信不可靠。
为对付移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术。
而将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。
随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性有待提升，结合天线发射分集与接收分集技术是无线通信发展的必然趋势，即从传统单天线系统向多天线系统（MIMO系统）演进，以寻求突破Shannon容量限制的途径。
2．2．2智能天线向多天线的发展
在常规术语中，智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，它能够在不利的传播条件（如存在多径衰落与干扰）下提供更可靠的通信链路。
智能天线的核心思想在于联合空间维度（自然扩展到时间维度）与天线分集。
如果估计出各接收天线单元对期望发射信号的响应，就可以根据各响应选择加权最优合并它们，从而最大化平均合并信号电平而最小化噪声与干扰。
进一步，在多径衰落中，信号完全丢失的概率随着独立衰落的天线单元数目呈指数减小。
这样，在发送端或在接收端采用智能天线技术（分别称作MISO与SIM0）的无线链路容量随着采用的天线单元数目的呈对数增长。
对于N×l的MISO系统，发端包含N副天线，在发送端无信道状态信息情况下，各发射天线支路平均分配发射功率，其信道平均容量为：
C=log2（1+ρ/N
）Bit/s/Hz（2—2）
式中，hi是第i副发射天线到接收天线的子信道复增益，ρ是接收天线的信噪比。
对于1×M的SIMO系统，其信道平均容量为：
C=log2（1+ρ
）Bit/s/Hz（2—3）
式中，hj是发射天线到第i副接收天线的子信道复增益。
以上表明，信道容量随发射或者接收天线数目呈对数增长，分集系统或智能天线系统利用了空间维度提高信道容量。
在高强度的多径分量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰落的能力是相当有限的，这是因为智能天线将无线信道的多径传播视为消极因素，从而加以抑制而不是利用。
由于在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，那么结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步开发空域资源，提高无线传输性能，成为无线通信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统（MIMO系统）演进。
2．2．3MIMO无线通信技术
MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。
MIMO系统在发送端与收收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在
升级会员 